The molecular interactions provided by the thymic microenvironment that predicate T cell development remain obscure. Here, we show that a bone marrow stromal cell line ectopically expressing the Notch ligand Delta-like-1 loses its ability to support B cell lymphopoiesis, but acquires the capacity to induce the differentiation of hematopoietic progenitors into CD4 CD8 double- and single-positive T cells. Both γδ-TCR+ and αβ-TCR+ T cells are generated, and CD8+ TCRhi cells produce γ-interferon following CD3/TCR stimulation. These results establish that expression of Delta-like-1 on stromal cells provides key signals for the induction of T cell lineage commitment, stage-specific progenitor expansion, TCR gene rearrangement, and T cell differentiation in the absence of a thymus. Thus, it is likely that Delta-like-1/Notch interactions by the thymus underpin its unique ability to promote lineage commitment and differentiation of T cells.

Gain-of-function mutations in NOTCH1 are common in T-cell lymphoblastic leukemias and lymphomas (T-ALL), making this receptor a promising target for drugs such as γ-secretase inhibitors, which block a proteolytic cleavage required for NOTCH1 activation. However, the enthusiasm for these therapies has been tempered by tumor resistance and the paucity of information on the oncogenic programs regulated by oncogenic NOTCH1. Here we show that NOTCH1 regulates the expression of PTEN (encoding phosphatase and tensin homolog) and the activity of the phosphoinositol-3 kinase (PI3K)-AKT signaling pathway in normal and leukemic T cells. Notch signaling and the PI3K-AKT pathway synergize in vivo in a Drosophila melanogaster model of Notch-induced tumorigenesis, and mutational loss of PTEN is associated with human T-ALL resistance to pharmacological inhibition of NOTCH1. Overall, these findings identify transcriptional control of PTEN and regulation of the PI3K-AKT pathway as key elements of the leukemogenic program activated by NOTCH1 and provide the basis for the design of new therapeutic strategies for T-ALL.

Mutations in the IDH1 and IDH2 genes encoding isocitrate dehydrogenases are frequently found in human glioblastomas and cytogenetically normal acute myeloid leukaemias (AML). These alterations are gain-of-function mutations in that they drive the synthesis of the ‘oncometabolite’ R-2-hydroxyglutarate (2HG). It remains unclear how IDH1 and IDH2 mutations modify myeloid cell development and promote leukaemogenesis. Here we report the characterization of conditional knock-in (KI) mice in which the most common IDH1 mutation, IDH1(R132H), is inserted into the endogenous murine Idh1 locus and is expressed in all haematopoietic cells (Vav-KI mice) or specifically in cells of the myeloid lineage (LysM-KI mice). These mutants show increased numbers of early haematopoietic progenitors and develop splenomegaly and anaemia with extramedullary haematopoiesis, suggesting a dysfunctional bone marrow niche. Furthermore, LysM-KI cells have hypermethylated histones and changes to DNA methylation similar to those observed in human IDH1- or IDH2-mutant AML. To our knowledge, our study is the first to describe the generation and characterization of conditional IDH1(R132H)-KI mice, and also the first report to demonstrate the induction of a leukaemic DNA methylation signature in a mouse model. Our report thus sheds light on the mechanistic links between IDH1 mutation and human AML.

The nature of early T lineage progenitors in the thymus or bone marrow remains controversial. Here we assess lineage capacity and proliferative potential among five distinct components of the earliest intrathymic stage (DN1, CD25−44+). All of these express one or more hemato-lymphoid lineage markers. All can produce T lineage cells, but only two of them display kinetics of differentiation, proliferative capacity, and other traits consistent with being canonical T progenitors. The latter also appeared limited to producing cells of the T or NK lineages, while B lineage potential derived mainly from the other, less typical T progenitors. In addition to precisely defining canonical early progenitors in the thymus, this work reconciles conflicting results from numerous groups by showing that multiple progenitors with a DN1 phenotype home to the thymus and make T cells, but possess different proliferative potentials and lineage capacities.

Summary

 The efficient generation of hematopoietic stem cells from human pluripotent stem cells is dependent on the appropriate specification of the definitive hematopoietic program during differentiation. In this study, we used T lymphocyte potential to track the onset of definitive hematopoiesis from human embryonic and induced pluripotent stem cells differentiated with specific morphogens in serum- and stromal-free cultures. We show that this program develops from a progenitor population with characteristics of hemogenic endothelium, including the expression of CD34, VE-cadherin, GATA2, LMO2, and RUNX1. Along with T cells, these progenitors display the capacity to generate myeloid and erythroid cells. Manipulation of Activin/Nodal signaling during early stages of differentiation revealed that development of the definitive hematopoietic progenitor population is not dependent on this pathway, distinguishing it from primitive hematopoiesis. Collectively, these findings demonstrate that it is possible to generate T lymphoid progenitors from pluripotent stem cells and that this lineage develops from a population whose emergence marks the onset of human definitive hematopoiesis.

Abstract The cortical and medullary thymic epithelial cell (cTEC and mTEC) lineages are essential for inducing T cell lineage commitment, T cell positive selection and the establishment of self-tolerance, but the mechanisms controlling their fetal specification and differentiation are poorly understood. Here, we show that Notch signaling is required to specify and expand the mTEC lineage. Notch1 is expressed by and active in TEC progenitors. Deletion of Notch1 in TECs resulted in depletion of mTEC progenitors and dramatic reductions in mTECs during fetal stages, consistent with defects in mTEC specification and progenitor expansion. Conversely, forced Notch signaling in all TEC resulted in widespread expression of mTEC progenitor markers and profound defects in TEC differentiation. In addition, lineage-tracing analysis indicated that all mTECs have a history of receiving a Notch signal, consistent with Notch signaling occurring in mTEC progenitors. Interestingly, this lineage analysis also showed that cTECs are divided between Notch lineage-positive and lineage-negative populations, identifying a previously unknown complexity in the cTEC lineage.

As hemopoietic stem cells differentiate, their proliferative lifespan shortens by unknown mechanisms. Homeobox cluster (Hox) genes have been implicated by their enhancement of self-renewal when transduced into hemopoietic cells, but gene deletions have been inconclusive because of functional redundancy. Here we enforced HOXB4 expression in purified precursor stages, and compared responses of early stages expressing the endogenous genes with later stages that did not. Contrary to the prevalent view that transduced Hox genes enhance the self-renewal of hemopoietic stem cells, stem cells or their multipotent progeny expressing the endogenous genes showed little response. Instead, immortalization, extensive self-renewal and acquired reconstituting potential occurred in committed erythroid and myeloid progenitors where the endogenous genes were shutting down. The results change our understanding of the stages affected by exogenous HOX proteins and point to shutdown of the endogenous genes as a principal determinant of the shortened clonal lifespans of committed progenitor cells.